9.7. Силикатные изделия автоклавного твердения

9.7.1 Общие сведения о силикатных материалах

Силикатные материалы и изделия автоклавного твердения пред­ставляют собой искусственные строительные конгломераты на основе известково-кремнеземистрго (силикатного) камня, синтези­руемого в процессе автоклавной обработки под действием пара при высокой температуре и повышенном давлении. Одним из основных компонентов сырьевой смеси, из которой формуются изделия, слу­жит известь, которая обладает большой химической активностью к кремнезему при термовлажностной обработке. Именно поэтому вторым основным компонентом сырьевой смеси является кварце­вый песок или другие минеральные вещества, содержащие кремне­зем, например шлаки, золы ТЭЦ и др. Чтобы химическое взаимо­действие проходило достаточно интенсивно, кремнеземистый компонент подвергают тонкому измельчению. Чем более тонким будет измельченный песок, тем выше должно быть относительное содержание извести в смеси. В качестве других компонентов могут быть также введены заполнители в виде немолотого кварцевого пес­ка, шлака, керамзита, вспученного перлита и т. п. Непременным компонентом во всех смесях выступает вода.

К числу автоклавных силикатных изделий относят силикатный кирпич, крупные силикатные блоки, плиты из тяжелого силикатно­го бетона, панели перекрытий и стеновые, колонны, балки и пр. Легкие заполнители позволяют понизить массу стеновых панелей и других элементов. Силикатные изделия выпускают полнотелыми или облегченными со сквозными или полузамкнутыми пустотами. Особое значение имеют силикатные ячеистые бетоны, заполненные равномерно распределенными воздушными ячейками, или пузырь­ками. Они могут иметь конструктивное и теплоизоляционное назна­чение, что обусловливает форму и размеры изделий, их качествен­ные показатели.

Изделия приобретают свойства, необходимые для строительных материалов, после автоклавной обработки, в процессе которой об­разуется новый известково-кремнеземистый цемент с характерными для него новообразованиями гидросиликатов кальция и магния, а также безводных силикатов.

Возможность образования в автоклаве камневидного изделия была установлена в конце XIX в., но массовое производство сили­катных изделий, деталей и конструкций, особенно типа бетонов, было впервые организовано в нашей стране. Технология их изго­товления механизирована и в значительной мере автоматизирована, что обеспечивает получение более дешевой продукции по сравне­нию с цементными материалами и изделиями. Эффективные иссле­дования в этом направлении были выполнены П.И. Боженовым, А.В. Волженским, П.П. Будниковым, Ю.М. Буттом и др. Было по­казано, что при автоклавной обработке образуются наиболее устой­чивые низкоосновные гидросиликаты с соотношением CaO:SiO₂ в пределах 0,8—1,2, хотя на промежуточных стадиях отвердевания возможны и более высокоосновные химические соединения. П.И. Боженов, отмечая «технический синтез» цементирующей связ­ки в автоклавном конгломерате, состоящей из смеси гидросилика­тов, полагает, что химическое сырье должно удовлетворять опреде­ленным требованиям. Оно должно быть высокодисперсным с удельной поверхностью порошка в пределах 2000—4000 см²/г, по возможности аморфным, стеклообразным. Химически активное сы­рье обеспечивает не только образование цементирующей связки в j автоклавном конгломерате, но и ряд технологических свойств сырьевой смеси (формуемость изделий, ровность их поверхности, транс­портабельность и др.). Но не только химические и физико-химиче­ские процессы влияют на формирование структуры и свойств силикатных материалов при автоклавной обработке. А.В. Волженский первым обратил внимание на изменение тепловлажностных условий при автоклавной обработке и их влияние на качество изде­лий. В связи с этим было принято выделить три этапа в автоклавной обработке: наполнение автоклава и изделий паром до заданного максимального давления; спуск пара; извлечение изделий из авто­клава.

Полный цикл автоклавной обработки, по данным П.И. Божено-ва, слагается из пяти этапов: впуск пара и установление температу­ры 100°С; дальнейшее повышение температуры среды и давления пара до назначенного максимума; изотермическая выдержка при постоянном давлении (чем выше давление, тем короче режим автоклавизации); медленное и постепенное нарастание скорости сниже­ния давления пара до атмосферного, а температуры — до 100°С; окончательное остывание изделий в автоклаве или после выгрузки их из автоклава. Оптимальный режим, т. е. наилучшие условия по величине давления пара, температуры и продолжительности всех стадий обработки, обусловливается видом сырья, хотя по экономи­ческим соображениям всегда стремятся к быстрому подъему и мед­ленному спуску давления.

Формирование микро- и макроструктуры силикатного изделия в автоклаве происходит на различных стадиях обработки. Механизм отвердевания известково-песчаного сырца до камневидного состоя­ния выражается в том, что вначале образуется известково-кремнезе-мистое цементирующее вещество как продукт химического взаимо­действия основных компонентов в смеси в условиях повышенных давлений и температур. Согласно одной из теорий (П.П. Будникова, Ю.М. Бутта и др.), образование цементирующего вещества проис­ходит через предварительное растворение извести в воде. Так как растворимость извести с повышением температуры понижается, то постепенно раствор становится насыщенным. Но с повышением температуры возрастает растворимость тонкодисперсного кремне­зема. Так, например, с повышением температуры с 80 до 120°С рас­творимость кремнезема возрастает (по данным Кеннеди) почти в 3 раза. Поэтому при температуре 120—130°С известь и кремнезем, находясь в растворе, взаимодействуют с образованием гелеобраз-ных гидросиликатов кальция. По мере дальнейшего повышения температуры новообразования укрупняются с возникновением заро­дышей и кристаллической фазы, а затем и кристаллических срост­ков. При избытке извести возникают сравнительно крупнокристал­лические двуосновные гидросиликаты кальция типа C₂SH(A) и Са₃SH₂, а после полного связывания извести и в процессе перекрис­таллизации возникают более устойчивые микрокристаллические низкоосновные гидросиликаты кальция типа CSH(B) и C₅S₆H₅ (то­берморит). Кристаллизация происходит вокруг зерен кварца и в межзерновом пространстве; сопровождается срастанием кристалли­ческих новообразований в каркас с дальнейшим его упрочнением и обрастанием.

Согласно другой теории, образование микроструктуры вяжуще­го происходит не через растворение извести и кремнезема, а в твер­дой фазе под влиянием процесса самодиффузии молекул в условиях водной среды и повышенной температуры. Имеется и третья теория (А.В. Саталкин, П.Г. Комохов и др.), допускающая образование микроструктуры вяжущего в результате реакций в жидкой и твер­дой фазах.

Большую пользу в формировании структуры и свойств силикат­ных камня и материалов оказывают вводимые в смеси добавочные вещества (добавки), выполняющие функции ускорителей процессов образования гидросиликатов кальция или магния, кристаллизации новообразований, модификаторов свойств и структуры. В целом в составе силикатного камня преобладают низкоосновные гидросили­каты кальция, имеющие тонкоигольчатое или чешуйчатое микро­кристаллическое строение CSH(B) и тоберморит C₅S₆H₅. В высоко­известковых смесях в результате синтеза образуется гиллебрандит 2СаО∙Si0₂∙Н₂O (т. е. C₂SH).

Рис. 9.28. Зависимость прочности силикатного камня от соотношения масс известкового теста (И_т) и молотого песка (П_м), а также от состава смеси:

1 — 20:80; 2 — 40:60; 3 — 60:40; 4 — 80:20. В числителе количество извести, в знаменателе — количество моло­того песка (помола), взятых по массе

Оптимальная струк­тура силикатного мате­риала формируется при определенном количестве известково-кремнеземи-стого цемента и минима­льном соотношении его фазовых составляющих. В свежеизготовленном конгломерате дисперсион­ной средой (с) служит из­вестковое тесто (И_т), а в качестве твердой дисперс­ной фазы (ф) выступает молотый кремнеземистый (песчаный) компонент (П_м). Активность (проч­ность) известково-кремнеземистого вяжущего веще­ства оптимальной структуры после автоклавной обработки, как и другие свойства силикатного материала, зависит от величины соот­ношения И_т: П_м (по массе). Результаты экспериментальных исследо­ваний показали, что пределы прочности при сжатии, на растяжение при изгибе, средняя плотность и другие показатели свойств силикат­ного камня принимают эк­стремальные значения при некотором минимальном соотношении с*/ф = И_T*/П_М (рис. 9.28). В полном соот­ветствии с формулой (3.4) прочность силикатного конгломерата R_c = R*/x, где R* - прочность авто­клавного силикатного кам­ня оптимальной структу­ры; х = И_т/П_м : И*/П_м = δ/ δ* — отношение усред­ненных толщин пленок из­весткового теста соответст­венно в вяжущем веществе конгломерата и в вяжущем веществе оптимальной структуры; n — показатель степени, зависит от качест­ва исходных материалов.

Рис. 9.29. Зависимость прочности мелкозерни­стого силикатного бетона от соотношения масс известково-кремнеземистого вяжущего и песка:

1 — 80:20; 2 — 60:40; 3 — 40:60; 4 — 30:70; 5 — 20:80; б — 17:83. Составы изготовлялись: 1,2,3 — с примене­нием керамдора; 4, 5, 6 — с применением гранитного щебня. Кривые оптимальных структур I, II и Ш относят­ся к бетону соответственно с применением гранитного щебня, керамдора и только местного карьерного песка

Выполненные исследования силикатного камня и силикатного конг­ломерата на примерах бетонов мелко- и крупнозернистых (рис. 9.29) показали, что при оптимальных структурах их свойства полностью подчиняются общим закономерностям ИСК.

Кроме кремнеземистого сырьевого материала, можно использо­вать в производстве автоклавных изделий распространенные мало­кварцевые виды сырья — полевошпатовые, глинистые, карбонатные пески, а также шлаки и другие побочные продукты промышленности. Минералы малокварцевого сырья, растворившись в условиях автоклавирования, становятся активными компонентами, не уступающи­ми по растворимости кварцу. Их активность зависит от размеров радиусов анионов и катионов, входящих в их состав. В автоклаве фор­мируется новое вяжущее (безобжиговое солешлаковое вяжущее), по свойствам превосходящее известково-кремнеземистое автоклавное твердение. Оно состоит из низкоосновных слабозакристаллизован­ных гидросиликатов кальция, а в присутствии ионов алюминия — из высокоосновных гидросиликатов кальция.